Содержание к диссертации
Введение
Глава I Диффузионные процессы в металлах и сплавах ... 12
1.1 Основные теоретические представления о процессах диффузии в твердых телах 13
1.1.1 Феноменологическая теория диффузии 13
1.1.2 Микроскопическая теория диффузия 16
1.1.3 Уравнение диффузии атомов в поле движущих сил 20
1.2 Диффузия в металлах при совместном действии постоянного магнитного поля и изотермического отжига 23
1.2.1 Влияние постоянного магнитного поля на диффузионные процессы 23
1.2.2 Влияние постоянного магнитного поля на структурные изменения в металлах 28
1.2.3 Механизмы и модели влияния постоянного магнитного поля на диффузию примесей в ферромагнетиках 30
1.3 Влияние переменного магнитного поля на диффузионные процессы 37
1.3.1 Подвижность атомов в металле в твердой фазе при наложении переменного магнитного поля 38
1.3.2 Влияние переменного магнитного поля на гетеродиффузию в жидкой фазе 42
1.3.3 Влияние переменного магнитного поля на структурные изменения в металлах 44
1.4 Ферромагнетики в нестационарных магнитных полях 46
1.4.1 Ферромагнитный резонанс 47
1.5 Дефекты, присутствующие в диффузионной зоне, и их движение в магнитном поле 50
1.5.1 Подвижность примесных атомов и пор 50
1.5.2 Движение дислокаций в магнитных полях 52
1.5.3 Динамика доменной структуры 55
1.5.4 Релаксационные явления в дефектных кристаллах в условиях наложения переменных напряжений 59-
1.6 Взаимодействие дефектов, присутствующих в диффузионной зоне 62
1.6.1 Взаимодействие примесных атомов с дислокациями 62
1.6.2 Взаимодействие дислокаций с доменными границами 64
1.6.3 Взаимодействие примесных атомов с доменными границами 67
1.7 Постановка задач и программа исследований 70
Глава II Материалы и методы экспериментального исследования 72
2.1 Состав и характеристики исследуемых материалов 72
2.2 Описание методов исследования 73
2.2.1 Методики приготовления образов 73
2.2.3 Нанесение и измерение тонких пленок 75
2.2.4 Описание установки для отжигов в импульсном МП 77
2.2.5 Рентгенографический метод измерения коэффициента объемной диффузии в поликристаллических веществах 80
2.2.6 Методика определения-параметров тонкой структуры 83
2.2.7 Металлографические исследования 86
2.2.8 Электронно-микроскопические исследования 87
2.2.9 Измерение микротвердости 87
Глава III Результаты экспериментального исследования диффузии алюминия- в железе в импульсном магнитном поле 89
3.1 Влияние импульсного магнитного- поля на диффузию алюминия в, железе 89
3.1.1 Частотные зависимости коэффициента диффузии алюминия в железе 90
3.1.2 Амплитудно-полевые зависимости коэффициента диффузии алюминия в железе 93
3.1.3 Температурные зависимости коэффициента диффузии алюминия в железе 95
3.2 Влияние импульсного магнитного поля на плотность дислокаций в железе 99
3.2.1 результаты определения рентгеновской плотности дислокаций 99
3.2.2 Результаты определения металлографической плотности дислокаций 101
3.2.3 Результаты определения плотности дислокаций методом электронной микроскопии 104
3.3 Металлографические исследования глубины диффузионных слоев... 105
3.4 Влияние импульсного магнитного поля на микротвердость железа... 106
Глава IV Общая формулировка модели примесной диффузии в ферромагнетике в импульсном магнитном поле 109
4.1 Оценка напряжений, вызываемых дефектами в железе 109
4.1.1 Упругие напряжения, создаваемые примесным атомом алюминия в железе 110
4.1.2 Напряжения, создаваемые краевыми дислокациями в железе 111
4.1.3 Магнитоупругие напряжения доменной границы в железе 112
4.2 Механизмы диффузии в импульсном магнитном поле 113
4.2.1 Механизм взаимодействия примесных атомов с дислокациями... 113
4.2.2 Механизм взаимодействия дислокаций с движущимися доменными границами 115
4.2.3 Механизм взаимодействия примесных атомов с движущимися доменными' границами 116
4.3 Уравнение диффузии' примеси в ферромагнетиках в импульсном магнитном поле 118
4.3.1 Оценка силы взаимодействия примесного атома с напряжениями диффузионного градиента концентрации 120
4.3.2 Оценка силы взаимодействия дислокаций с ДГ 122
4.3.3 Оценка силы взаимодействия примесного атома с ДГ 124
Заключение 125
Список литературы 127
Приложение I 143
Приложение II 149
Приложение III 160
- Феноменологическая теория диффузии
- Описание методов исследования
- Частотные зависимости коэффициента диффузии алюминия в железе
- Упругие напряжения, создаваемые примесным атомом алюминия в железе
Введение к работе
Актуальность темы. В последнее время внимание исследователей все чаще обращается к изучению проблемы влияния внешних воздействий на диффузионные процессы в твердых телах. Это объясняется высокой перспективностью возможности управления диффузией, которая является одним из наиболее общих процессов, контролирующих структурные изменениям твердых телах, такие, например, как пластическая деформация, кристаллизация и рекристаллизация, фазовые превращения и старение, твердофазные реакции и многие другие. Эти процессы широко применяются в производственных технологиях обработки материалов в металлургической, автомобильной; авиационной, космической и других отраслях промышленности и необходимы для разработки новых технологий, в том числе и нанотехнологий [1,2].
Внешние воздействия, к которым можно отнести и магнитное поле (МП), заметно влияют на диффузионную подвижность атомов. Изучение влияния внешнего МП на диффузию дает информацию фундаментального характера о магнитных свойствах диффундирующих атомов, поведении дефектов» и их взаимодействии в МП, что является важным для физики твердого тела и физики прочности, поскольку кинетика взаимодействия дефектов между собой во многом определяет свойства твердых тел. Если-диффузия Вїпостоянном МП в ферромагнитных материалах в последние годы изучалась достаточно интенсивно-[3], то проблема влияния переменных ш импульсных МП на само- и. гетеродиффузию, а также на явления; в основе которых лежит диффузионное перераспределение атомов, является- мало изученной.
В импульсных МП возникает движение доменных границ (ДГ) и связанное с ним дополнительное динамическое взаимодействие с примесными атомами, дислокациями и другими дефектами. Знание экспериментальных и теоретических закономерностей движения ДГ и их взаимодействия с другими дефектами имеет существенное значение при изучении процессов перемагничивания, особенно при высоких температурах, когда активировано атомное движение частиц. Наличие в ферромагнетиках ДГ, имеющих высокую подвижность в импульсных МП и их активное взаимодействие со структурными дефектами создает новые возможности для практического использования ферромагнетиков. Особенно актуально исследование динамики ДГ в связи с необходимостью создания современных радиоэлектронньж устройств, работающих в условиях повышенного тепловыделения.
Ферромагнетики и их композиции с другими материалами являются основой современных электронных устройств, приборов связи, современных компьютеров, в которых они используются как базовые элементы для записи, хранения и воспроизведения информации [4]. Кроме того, магнитные материалы получают все более широкое применение в технике при изготовлении генераторов и электромоторов, трансформаторов , в весьма широком диапазоне частот, многих приборов, служащих для целей автоматики, электромагнитов и дросселей, постоянных магнитов"и т.д. Для каждого из перечисленных устройств w машин требуются специальные ферромагнитные материалы со специфическими магнитными свойствами, а часто, и электрическими характеристиками.
Все вышесказанное определяет актуальность постановки задач исследования, диффузионных процессов в ферромагнитных материалах, когда, в рассмотрение включаются- их структурные и магнитные дефекты, изучения закономерностей гетеродиффузии в них под влиянием импульсного МП, развития теоретических модельных представлений об этом процессе: Разработке этих вопросов и посвящена представленная диссертационная работа.
Основная решаемая научная проблема, имеющая фундаментальный характер - установление эффекта и механизмов влияния внешнего импульсного МП на процесс примесной диффузии атомов А1 в кристаллической решетке Fe. Основная цель работы: Экспериментальное исследование закономерностей гетеродиффузии А1 в Fe в условиях наложения внешнего импульсного МП и развитие качественных положений общей модели диффузии примеси в ферромагнетике в импульсном МП. Достижение этой цели подразумевало решение следующих основных задач:
1. Установление экспериментальных фактов наличия эффекта влияния импульсного МП на гетеродиффузию А1 в Fe и изменение плотности структурных дефектов (дислокаций) в Fe.
Т. Выполнение апробированными физическими методами систематического экспериментального исследования влияния импульсного МП на диффузию- А1 и плотность дислокаций (ПД) в Fe в различных условиях эксперимента (амплитуда и частота импульсного МП; температура диффузионных отжигов).
3. Формулировка- основных экспериментальных закономерностей протекания диффузионного процесса- А1 в. Fe в различных условиях эксперимента. ;
4. Предложение возможных и наиболее вероятных физических механизмов влияния импульсного МП на примесную диффузию.атомов А1 в ферромагнитной матрице Fe.
Научная новизна. Анализ существующих литературных данных показал, что сведения о влиянии переменных и импульсных МП на диффузионные и диффузионно-контролируемые процессы, в твердых телах весьма ограничены, а прямые исследования влияния импульсного МП на гетеродиффузию в твердофазных металлах или сплавах не проводились. В настоящей работе впервые:
1. Установлен эффект влияния импульсного МП на гетеродиффузию А1 в Fe и изменение ПД в Fe.
2. Получены систематические экспериментальные данные по влиянию импульсного МП различной частоты и амплитуды напряженности, а также температуры диффузионного отжига на диффузию А1 и ПД в Fe. 3. Сформулированы общие закономерности наблюдаемых изменений коэффициента диффузии (КД) А1 в Fe при наложении внешнего импульсного МП.
4. Предложены возможные и наиболее вероятные физические механизмы влияния импульсного МП на примесную диффузию атомов А1 в ферромагнитной матрице Fe.
Практическая значимость заключается- в применении процессов диффузионного насыщения А1 (алитирование) поверхности Fe и его сплавов при изготовлении диффузионных покрытий и градиентных материалов с заданными функциональными1 свойствами [5]. Прикладной интерес изучения данной диффузионной пары обусловлен перспективой разработки принципов и методов управления алитированием с помощью МП и, в частности, с помощью- импульсного МП сравнительно низкой частоты. Результаты данной работы, могут послужить рекомендациями для практического применения и разработки современных технологических процессов получения покрытий функционального - назначения, диффузионной сварки, термомагнитной обработки черных металлов- и сплавов, прогнозируемой безопасной- эксплуатации микро- и наноэлектронных устройств при повышенных температурах с наложением импульсных МП.
Достоверность и обоснованность научных результатов подтверждается использованием известных апробированных методов исследования надежной контролируемостью условий- проведения1 эксперимента, воспроизводимостью- результатов, проверкой их независимыми методами исследования, всесторонним анализом полученных результатов.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Наложение импульсного МП на процесс диффузии А1 в Fe в условиях, определяемых интервалом частоты импульсного МП 0,2 - - 8 Гц, амплитудой напряженности МП 0 + 557,2 (0 + 7,0) кА/м (кЭ) и температурой диффузионных отжигов от 700 до 820 °С вызывает увеличение КД А1 в Fe до 20 раз.
2. Частотные зависимости КД А1 в Fe в исследованном интервале частот имеют «резонансный» характер. Это связано с релаксацией примесных атомов А1 в ОЦК-решетке Fe по механизму Зинера при магнитострикционных колебаниях решетки Fe в импульсном МП.
3. Амплитудно-полевые и температурные зависимости ПД в Fe коррелируют с аналогичными зависимостями КД А1 в Fe в импульсном МП, что объясняется изменением количества путей ускоренной диффузии.
4. Возможные и наиболее вероятные физические механизмы влияния импульсного МП на диффузию А1 в матрице Fe, связанные с наличием структурных и магнитных дефектов в ферромагнетиках, их взаимодействием между собой.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях различного уровня: VT и VIL международных конференциях «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов» (Воронеж, 2005, 2007); Международной конференции «Диффузия в твердых телах: прошлое, настоящее и будущее» (Москва, 2005); конференции, посвященной международному году физики «Проблемы фундаментальной физики XXI века» (Самара, 2005); XVI Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара, 2006); IV Международной конференции «Фазовые превращения и прочность материалов» (Черноголовка, 2006); XVIII Симпозиуме «Современная химическая физика» (Туапсе, 2006); научно-практической конференции материаловедческих обществ России (Ершово, Москва, 2006); 4h International Workshop «Diffusion and Diffusional Phase Transformations in Alloys» (Safiyivka, Ukraine, 2007); школах: I и II международных школах «Физическое материаловедение» (Тольятти, 2004, 2006); XVIII Уральской школе «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (Тольятти, 2006); XL и XLI Зимних школах Петербургского института ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН (Санкт-Петербург, 2005, 2006); IV Международной школе-конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (Тамбов, 2007); ежегодных научных конференциях сотрудников СамГУ и научных семинарах кафедры ФТТиНС СамГУ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 4 статьи в других изданиях и 7 тезисов докладов на Всероссийских и Международных научно-технических конференциях и школах; получено 1 свидетельство об отраслевой регистрации программной разработки, зарегистрированной в Государственном координационном центре информационных технологий «Отраслевой фонд алгоритмов и программ».
Личный вклад автора в диссертационную- работу. Автору во всех работах, опубликованных в соавторстве, в равной степени принадлежат как экспериментальные результаты, так и анализ выполненных исследований. Разработка программного комплекса анализа профиля рентгеновской линии полностью принадлежит автору.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из Введения, четырех глав, Выводов, списка используемой литературы и Приложения. Общий объем диссертации 165 страниц текста, включая 29 рисунков, 14 таблиц, список используемой литературы из 165 наименований и приложения на 18 страницах.
Диссертационная работа выполнялась в рамках тематического плана научно-исследовательских работ Самарского государственного университета по заданию Министерства образования Российской Федерации по теме «Кинетика диффузионных изменений магнитных и структурных дефектов в магнитных полях», а также при финансовой поддержке гранта 96Е2.4К Самарского областного конкурса на предоставление грантов студентам, аспирантам и молодым ученым 2007 г.
Феноменологическая теория диффузии
Диффузия представляет собой необратимый процесс, поэтому для ее строгого описания необходимо использовать соответствующий формализм, а именно, термодинамику необратимых процессов [8]. Основные уравнения диффузии были написаны в 1885 г. Фиком. Основная идея Фика заключалась в том, что «движение диффузии», рассматриваемое как проникновение растворенного вещества в растворитель, аналогично проникновению теплоты в проводник тепла [1]. Если ось х параллельна направлению градиента концентрации, то первое уравнение Фика (для одномерной диффузии в направлении оси X) для потока вещества имеет вид: Jx=-D (1.1.1) .dxJt где Jx - поток атомов, проходящих через единицу площади поверхности в (дсЛ - градиент концентрации, любой момент времени t; перпендикулярной к этой поверхности в тот же момент времени; D — константа, равная потоку при градиенте концентрации, равном единице, которая называется КД [9].
Направленный диффузионный перенос частиц в какой-либо системе, как это следует из уравнения (1.1.2), имеет место в том случае, если в этой системе существует градиент концентрации этих частиц, что, однако, является условием необходимым, но недостаточным [11]. Можно представить такие случаи, когда диффузионный поток будет равен нулю, несмотря на то, что gradC Ф 0 (например, диффузия при наличии градиента температуры, направленного противоположно градиенту концентрации). Более того і диффузионный поток может быть, даже направлен в сторону возрастания концентрации (так называемая «восходящая диффузия»). Более общим термодинамическим условием диффузии является наличие в рассматриваемой системе градиента химического потенциала.
Ограничиваясь первым членом разложения выражения для свободной энергии системы, можно ввести «эффективную диффузионную силу» в расчете на один атом і-го сорта: fi=__LM (1Л.5 NA Эх К J где NA - число Авагадро, До - химический потенциал і-й компоненты. Химический потенциал системы в общем случае является функцией температуры, давления, а также внешних параметров (электрическое поле, механические напряжения и др.). При значительных концентрациях, когда раствор нельзя считать идеальным, тогда выражение для химического потенциала системы имеет вид ці=цоі+кТ1паі, (1.1.6) где ДОІ - свободная энергия чистого вещества (растворителя) в расчете на 1 моль, а4 - активность і-го компонента.
Таким образом, КД непосредственно связан с частотой перескоков атомов. Результирующий поток атомов, обусловленный наличием градиента концентрации, возникает потому, что на первой плоскости число атомов данного сорта, способных перескочить на вторую плоскость, больше, чем число атомов того же сорта на второй плоскости, способных совершить перескоки в обратном направлении [12].
Микроскопическая теория диффузии целиком основана на методах статистической физики. Они позволяют судить о поведении каждой частицы системы в среднем путем статистического изучения характера поведения большого числа частиц. В монографиях [13, 14] излагается микроскопическая теория взаимной диффузии в металлических бинарных твердых растворах замещения. Для диффузии в металлических твердых растворах замещения общепринят вакансионный механизм. При элементарном акте всегда наряду с перескоком атома в соседний узел происходит перескок вакансии в противоположном направлении. Поэтому можно исследовать поток вакансий. Составлять выражения для плотности такого потока не представляет затруднений, так как концентрация тепловых вакансий в металлических системах ничтожно мала (при Т=1000 К концентрация тепловых вакансий С имеет порядок величины 10"3-10"5), корреляция между ними отсутствует и, следовательно они образуют разреженный идеальный газ вакансий (дырок). Из структуры полученных выражений легко делать выводы о реальных диффузионных потоках химических компонентов вещества. Такой метод получил название метода дырочного газа [13].
Описание методов исследования
В работе использовались несколько методов исследования, поэтому для применения каждого из них требовалась своя специфическая подготовка образцов [139].
Образцы вытачивали из прутков поликристаллического Fe в виде цилиндров диаметром и высотой 12 мм. После механической обработки торцевых поверхностей образцы отжигали при 1400 С в вакууме 10" Па ( 10"5 Тор) в течение 2 часов для укрупнения зерна и совершенствования структуры. Далее образцы помещали в оправки, заливали в- отвердитель и поверхности торцов тщательно обрабатывали абразивными материалами различной зернистости, затем полировали на войлочном круге, смоченным суспензией пасты ГОИ в воде. Полировку продолжали до полного исчезновения рисок и получения зеркальной поверхности. Далее производился отжиг при 700 С в течение 1 часа для стабилизации структуры и снятия напряжений в поверхностном слое, возникших в процессе полирования. На торцевую поверхность образцов термическим испарением в вакууме наносили тонкие пленки А1 толщиной 0,11-0,24 мкм.. Чтобы, повысить коэффициент адгезии А1 с рабочей поверхностью Fe образцы предварительно подогревали до 300 —400 С. Толщину пленок контролировали тремя независимыми способами: весовым методом, методом контрольного образца и микроинтерферометрическиміметодом [3].
Для предотвращения испарения А1 на время- отжига образцы попарно помещали в специально изготовленную вакуумную печь для отжигов в импульсном МГТ плотно прижатыми друг к другу торцами, так что ось образцов, совпадала с направлением импульсного МП Такое расположение образцов; во- время отжига; способствовало также уменьшению размагничивающего фактора.
Для исследованиям образцовое помощью; металлографических, методик использовалась химическая? полировка, образцов? при следующем режиме: азотная кислота- 3 см , плавиковая кислота — 7 см , вода — 30 см , время 2-3 минуты;, температура 60-70 Є [140]!. Вї ряде: случаев применялась, электролитическая полировка в растворе травителя,. который полирует чистое Fe при 25 -30 В 0,40 - 0,8 А/см2, 20 - ЗО Є за 15 - 30 сек:: хлорнаяі кислота - 50 см3, уксусная кислота ледяная - 1000 см3. Катод - нержавеющая сталь [141]:
Для выявленияшолнойкартины микроструктуры и определенияїПДчПО методу фигур; травления; проводили травление поверхности образцов-[1в9;141]1 BSрезультате травления--более четко выявляется: микроструктурам образцов и фигуры травления. Травление проводили несколькими способами: погружением образца в травитель, втиранием травителя в образец и смачиванием поверхности шлифа. Время травления подбирали экспериментально [142].
ПД. и размер зерна в образцах определись металлографическим методом с использованием программы «ВидеоТесТ-Размер 5.0» [143]. Результаты измерения ПД представлены в следующей главе III, а размер зерна составлял в среднем -300 мкм.
Для электронно-микроскопических исследований были приготовлены тонкие металлические фольги, отдельные участки которых имели толщину 500-3000 А. Такая толщина достигалась методом электролитической полировки, основой которой является электролиз, при котором анодом является образец. В процессе электрополировки наблюдается сглаживание грубых неровностей поверхности и появление блеска образца. При полировке удаляется верхний слой, который поврежден механически. В качестве электролита использовался следующий раствор: 430 мл ортофосфорной кислоты и 60 мл хромового ангидрида. Катодом является нержавеющая сталь. Температура электролита - 20 С, плотность тока - 2-4 А/см , напряжение - 20 В. Электрополировку заканчивали, когда в образце образовывалось отверстие. Затем образец помещали на пластину из оргстекла и при увеличении. 20000 крат рассматривали в электронном микроскопе. Расшифровку электроннограмм проводили по методике, описанной в [144].
Тонкие пленки диффузанта (А1) наносили термическим испарением в вакууме в универсальном вакуумном посту ВУП-4. Толщину пленок измеряли- тремя независимыми методами: взвешивания, микроинтерферометрическим и методом контрольных фолы [3, 145]. Согласно методу взвешивания, толщина тонкой пленки равна h = ——, (2.2.1) Ртп "S где m — масса пленки, S и ртп - площадь и плотность тонкой пленки, соответственно. В микроинтерферометрическом методе, измерив величину излома интерференционных линий и расстояние между ними, толщину пленки можно рассчитать по формуле: h = 0,27(N3 - N4)/(N! - N2)n (2.2.2) где h - толщина пленки, Ni и N2 - первый и второй отсчеты при измерении интервала между полосами, N3 и N4-первый и второй отсчеты при измерении величины изгиба полосы.
Суть метода контрольных фольг сводится к тому, что взвешивают не непосредственно пленку, а твердый раствор (получаемый в результате диффузионного процесса), одним из компонентов которого является вещество пленки: При. малой концентрации исследуемого - вещества задача сводится к тщательному взвешиванию контрольного образца (например, фольга меди); значительно более тяжелого, чем нанесенное вещество пленки. Если по величине какого либо параметра твердого раствора (например, постоянная решетки), можно найти концентрацию этого вещества, то по весу контрольного образца легко найти вес, а значит и толщину нанесенного слоя [3].
Для определения концентрации А1 по параметру решетки, снимается рентгенограмма чистой меди и твердого раствора, и по смещению дифракционной линии (400) раствора относительно линии меди находится концентрация вещества пленки. Съемка производится на камере РКЭ на излучении.Со Ка. Приведенная толщина пленки рассчитывается по формуле: h = PCBAT m МцСД =m MA1Cg ds Ps MA1es+MCucS, PS мАІсй+мСи(і-сЯ) где P и S - вес и площадь контрольного образца, CAL - весовая концентрация вещества пленки (рассчитывается по смещению дифракционной линии), М - молярная масса, тир — масса контрольного образца и плотность вещества пленки.
Точность определения толщины пленки определяется чувствительностью весов, точностью измерения площади и смещения линии на рентгенограмме; на точность взвешивания будет влиять и масса подложки (покровное стекло и контрольная фольга). Степень этого влияния будет тем, больше, чем больше масса подложки превышает массу пленки. Относительная ошибка при определении толщины диффузанта при разных методах измерения лежит в пределах 5,0- -8,3 %.
Отжиги в импульсном МП и без него проводились на нестандартной установке [146], с использованием генератора сигналов специальной формы Г6-27. Общий вид установки представлен на рис. 2.1 в Приложении 1. Установку можно использовать для исследования изменений структуры ферромагнетиков, диффузионных процессов В ПОСТОЯННОМ и импульсном МП при повышенных температурах и термомагнитной обработки материалов. Установка состоит из- следующих взаимосвязанных функциональных частей: 1. Источником МП является электромагнит ФЛ-1. Обмотки электромагнита питаются высокостабилизированным по току источником питания СТ-40 (без каких-либо наблюдаемых постоянно-периодических пульсаций тока). Такая схема включения обеспечивает необходимую регулируемую напряженность постоянного Ш в. диапазоне оъ 0-до 557,2 (7,0) кА/м (кЭ) при зазоре: между полюсами? 62" мм (толщина вакуумной камеры) в течение всего- времени отжига ( 4 суток). Напряженность МП контролировали- и калибровали с помощью микровеберметра Ф-191. Точность установки заданного уровня напряженности МП составляла ± 1 %. Однородность поля составляла ± 0,05 %/см от установленного уровня напряженности МП при диаметре полюсных наконечников 62 мм.
Частотные зависимости коэффициента диффузии алюминия в железе
Результаты измерений влияния импульсного МП различной частоты на КД А1 в Fe представлены в табл. 3.1 и 3.2, представленных в Приложении П. Для наглядности те же данные представлены на рис. 3.1 и 3.2 в виде графиков зависимости КД от частоты импульсного МП. Степень влияния импульсного МП на измеренный КД А1 в a-Fe характеризовали относительным КД Drel(H0,H1,f) = DH(H0,H1,f)/DH=0, где DH(HO, HI, f) — КД Al в Fe в импульсном МП с постоянной составляющей напряженности МП Но, амплитудой переменной составляющей напряженности МП Hi и частотой f, DH=o - КД Al в Fe без импульсного МП. Для построения частотных зависимостей КД А1 в Fe проведено исследование двух партий образцов. Первую группу образцов подвергали диффузионному отжигу в импульсном МП, состоящего только из переменной составляющей МП амплитудой Hi, т.е. при Но = 0. Частотные зависимости КД А1 в Fe измеряли в диапазоне частот импульсного МП от 0 до 8 Гц при температуре 730 С. Амплитуда напряженности импульсного МП составляла 39,8 (0,5), 59,7 (0,75), 79,6 (1,0) и 238,8 (3,0) кАм (кЭ); время диффузионного отжига изменяли в пределах 6 14 ч. Из данных рис. 3.1 можно видеть, что зависимости относительного.КД; от частоты;при амплитудах импульсного MFF39 8 (0 5)- 59,7 (0,75), 79,6 (1,0) кА/м (кЭ) имеют максимум «резонансного» характера, положение которого с ростом амплитуды смещается в сторону более низких частот, а высота максимума уменьшается в указанном интервале амплитуд напряженности МП: При амплитуде напряженности 238,8 (3,0) кА/м (кЭ) относительный КД становится меньше единицы, что;говорит о; замедлении диффузии- А1 в Fe относительно отжига без!МП;[155].
Возникновение максимума «резонансного» характера можно, связать с релаксацией примесных атомов А1в ОЦК-решетке Fe по механизму Зинера при магнитострикционных колебаниях решетки Fe в импульсном МП. В случае, когда частота внешнего импульсного МП совпадает с частотой колебания и перескоков атомов АІ в решетке Fe, наблюдается максимум частотной зависимости при выбранной амплитуде напряженности импульсного МП. Диффузионный отжиг второй группы образцов проводили в МП, состоящего из постоянной составляющей напряженности МП Но и наложенной на нее переменной составляющей МП с амплитудой напряженности Hi. Частотные зависимости КД А1 в Fe измерены при температуре 730 С и постоянной составляющей МП Н0 равной 39,8 (0,5), 79,6 (1,0) и 238,8 (3,0) кА/м (кЭ); амплитуда Hi переменного сигнала при этом увеличивалась от 39,8 (0,5) до 541,3 (6,8) кА/м (кЭ) с возрастанием частоты импульсного МП от 0 до 8 Гц (см. табл. 3.2 в Приложении II); время диффузии - 4 + 14 ч. Результаты эксперимента показывают, что импульсное МП, состоящее из постоянной и переменной составляющих напряженности МП, при температуре 730 С оказывает заметное влияние на диффузионный процесс А1 в Fe. Частотные зависимости, представленные на рис. 3.2, имеют сложный немонотонный характер. Наложение импульсного МП в исследованном диапазоне частот от 0 до 8 Гц приводит к увеличению относительного КД Drei(Ho,f), т.е. Drel(H0,f) l, причем при постоянной составляющей МП 39,8 (0,5) кА/м (кЭ) интервал изменения КД выше, чем при 79,6 (1,0) кА/м (кЭ), а при постоянной составляющей МП 238,8 (3,0) кА/м (кЭ) эффект влияния МП исчезает и относительный КД становится близким к единице [156].
Полученные результаты можно объяснить следующим образом. При достаточно высоком значении амплитуды напряженности МП, находящейся, по данным [52], в области насыщения намагниченности матрицы в МП, влияние импульсного МП на измеряемый КД уменьшается (см. Drei(Ho,f) при Но - 238,8 кА/м). По причинам того же характера, наблюдаемое уменьшение величины максимума относительного КД с ростом амплитуды импульсного МП Hi происходит вследствие того, что на начальном этапе роста амплитуды намагниченность матрицы растворителя еще не достигает состояния насыщения при воздействии импульсов МП. 3.1-.2 Амплитудно-полевые зависимости коэффициента- диффузии алюминия в железе Результаты измерений влияния импульсного МП различной амплитуды на КД АЬв Fe представлены в табл. 3.3, представленной в Приложении II. Для наглядности те же данные представлены на рис. 3.3 в виде графика зависимости КД от амплитуды импульсного МП.
Амплитудно-полевые зависимости- относительного КД получены при 730 С для группы образцов в импульсном МП, содержащим только переменную составляющую напряженности МП Hi и Н0 = 0. Амплитудно-полевые зависимости КД А1 в Fe измеряли при температуре 730 С и времени диффузионного отжига 6- -14 ч. Амплитуду переменной составляющей напряженности импульсного МП Н] изменяли от 19,9 (0,25) до 557,2 (7,0) кА/м (кЭ), а частоту импульсного МП f выбирали равной 1, 2, 4, 6 и 8 Гц. На рис. 3.3 представлен график амплитудно-полевых зависимостей относительного КД А1 в Fe.
Как видно из рис. 3.3, положение максимума относительного КД А1 в Fe лежит в пределах 40 -=- 80 (0,5 -т-1,0) кА/м (кЭ); наблюдается тенденция к смещению его положения в сторону меньших амплитуд напряженности МП Hi с ростом частоты импульсного МП f. Результаты эксперимента показывают, что при увеличении частоты импульсного МП происходит возрастание уровня максимального значения относительного КД А1 в Fe. При увеличении амплитуды напряженности МП Нь начиная с напряженности 250 (3,0) кА/м (кЭ), независимо от частоты импульсного МП степень влияния МП на КД уменьшается и он становится близким к единице [157].
Основные изменения КД наблюдаются при отжиге образцов в МП с амплитудой напряженности Н] от 0 до 79,6 (1,0) кА/м (кЭ). Можно предположить, что это связано с тем, что в образцах при этих режимах еще не достигается состояние насыщения намагниченности среды. Детально вопрос о влиянии состояния намагниченности Fe, создаваемой внешним стационарным МП, на параметры диффузии примесей рассматривался в работе группы авторов [3]. Согласно литературным данным [52], при 730 С насыщение намагниченности на кривых технического намагничивания Fe наступает при напряженности МП 55,7 (0,7) кА/м (кЭ); выше этого значения намагниченность и параметр магнитного порядка для «бесконечно» длинных образцов практически постоянны и не меняются с увеличением напряженности внешнего МП. Оценки, выполненные с учетом размагничивающего фактора используемых образцов и нестационарного характера внешнего МП; показывают, что начало состояния намагниченности насыщения образцов приходится на напряженность импульсного МИ с амплитудой 95,5 (1,2) кА/м (кЭ), что качественно согласуется с наблюдаемым-значением 79,6 (1,0) кА/м (кЭ).
Результаты измерений влияния температуры одновременно с импульсным МП на КДА1 в Fe представлены в табл. 3.4, 3.5, представленных в Приложении П..Для наглядности те же данные представлены на рис. 3.4 и 3.5 в виде графиков зависимости КД от температуры..
Из рис. 3.4 видно, что температурная зависимость относительного-КД без МП1 в области фазового магнитного перехода в Fe при 770 С имеет небольшой излом. Это явление известно в литературе [3] как «явление диффузионной магнитной аномалии». Этот излом соответствует двум линейным участкам зависимости InD = f (l/Т), по которым была произведена оценка энергий активации диффузии, равные Qn = 73 (17) кДж/моль (ккал/моль), — в парамагнитной области состояний Fe и Qo = 227 (54) кДж/моль (ккал/моль) - в ферромагнитной области Последнее практически совпадает с литературными данными [3,49], в которой для интервала температур 730 - 1400 С получено QAi- Fe = 228,2 (54,5) + 4,2 (1,0) кДж/моль (ккал/моль). Однако следует отметить, что узость температурных интервалов, в которых определены значения энергий активации, позволяет рассматривать их только как ориентировочные.
Упругие напряжения, создаваемые примесным атомом алюминия в железе
Оценим величину упругих напряжений, создаваемых атомом Al в Fe в приближении линейной теории упругости, в которой атом рассматривается как сферический точечный источник расширения, вставленный в малую для него полость [161]. Предполагается, что источник расширения находится в центре свободной сферы радиуса R.
При отжиге образцов Fe в импульсном МП наблюдается увеличение ПД в матрице диффузии (см. Главу III). Кроме того, в литературе известны данные об образовании, дислокаций при.гетеродиффузии в металлах [163], обусловленное наличием напряжений в диффузионной зоне; возникающих вследствие различия размеров атомов.примеси и растворителя и их градиента концентрации. Поэтому можно предположить, что при взаимодействии. примесных атомов с подвижными дислокациями можно ожидать изменение эффективного КДпримесных атомов в матрице растворителя.
Каждая дислокация окружена облаком примесей (облако Котрелла): Атмосфера из примесей служит для дислокации- «якорем», который закрепляет ее. При возникновении достаточно больших механических напряжений дислокации могут отрываться от закрепляющих их примесных атомов [120]. Под действием механических и магнитоупругих напряжений, возникающих при включении и изменении напряженности МП, дислокация, перемещаясь, должна или «оторваться» от этого якоря, или «тащить его за собой». В первом случае над дислокацией на коротком участке пути (порядка одного вектора Бюргерса) должна быть произведена работа со стороны приложенного напряжения, равная общей энергии ее связи со всеми атомами примесной атмосферы [125]. Во втором случае движение дислокации будет очень медленным. Оба этих процесса в значительной степени зависят от температуры. При медленном движении дислокации облако примесных атомов перемещается вслед за дислокацией диффузионным образом. Отставание облака от дислокации приводит к появлению силы торможения, которая может быть найдена решением уравнения диффузии примесей в упругом поле движущейся дислокации. Сила трения при этом оказывается пропорциональной скорости при малых скоростях, а при больших скоростях она убывает. Последнее отражает очевидный факт отрыва дислокации от облака. При- больших скоростях движения дислокаций, когда диффузионные процессы не успевают протекать, эффекты столкновения дислокаций с примесными атомами становятся заметными [120]. В результате таких столкновений дислокация теряет энергию, которая идет на увеличение амплитуды тепловых колебаний примесных атомов:
Знание времени насыщения дислокации в Fe примесными атомами А1 имеет большое значение для понимания диффузии примесных атомов в импульсном МП. Этот фактор может влиять на характер протекания диффузионных процессов и массопереноса. Рассмотрим вопрос о времени формирования примесной атмосферы в окрестности краевой дислокации, поскольку оно будет во многом определять кинетику диффузии примеси по рассматриваемому механизму в исследованном диапазоне-частот.
Дислокации;, насыщенные атомами; примесями: могут передвигаться в-матрице растворителя» за счет взаимодействия с движущимися; при? перемагничиванииг ДГ. При наложении: импульсного МП происходит перемагничивание образца;, которое: сопровождается; изменением периода доменной структуры т вызываемым имг перемещение. ДГ. Движущиеся; при; намагничивании ДГ, могут также: активно взаимодействовать с: дислокациями;, что; приводит к. более эффективному, массопереносу. Увлечение дислокации перемещающейся; ДГ может быть обусловлено как взаимодействием МП с магнитным моментом дислокации (магнитное взаимодействие),- так; и взаимодействием МП упругих напряжений дислокации с полем; упругих напряжений? ДГ, существование которых обусловлено магнитострикциеи (магнитоупругое взаимодействие):.
Сделанные; ниже; оценки; и: проведенные эксперименты; позволяют заключить, что; активирующее; влияние импульсного МИ на процесс диффузии А\ Bi Fe связано с магнитоупругим взаимодействием движущихся при перемагничивании ДГ с дислокациями, обуславливающими массоперенос. Указанное взаимодействие приводит к тому, что часть дислокаций освобождается от разного рода стопоров, препятствующих их движению, в частности, от самих ДГ, что в конечном итоге и обуславливает дополнительный вклад в дислокационный массоперенос в импульсном МП [157].
